BEZPiECZE STWO PRACY 2/2002
dr hab. inż. ROMAN KUBACKI
mgr inż. PAWEA
SOBIECH
Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii
ZależnoS
ci metrologiczne w elektromagnetycznym
polu bliskim anten mikrofalowych
rozporządzeniu ministra pra- w całym zakresie częstotliwości jest moż- przyjmować wartości odmienne od
cy i polityki społecznej z dnia liwość określania poziomu ekspozycji 377 , z tego powodu stosowanie zależ-
2 stycznia 2001 r. zmieniają- tymi samymi parametrami (E, H). Jednak- ności (1) w polu bliskim obarczone jest
cym rozporządzenie w sprawie najwyż- że negatywną konsekwencją przyjęcia nieznanym błędem.
szych dopuszczalnych stężeń i natężeń wartości E i H jako wartości NDN jest
czynników szkodliwych dla zdrowia konieczność pomiarów dwoma miernika-
Pole bliskie
w środowisku pracy [5] ustanowiono war- mi w każdym punkcie pomiarowym.
jako obszar metrologiczny
tości najwyższych dopuszczalnych natę- Z kolei, gęstość mocy jest wektoro-
dla celów bhp
żeń (NDN) pól elektromagnetycznych wym iloczynem natężenia pola elektrycz-
(0 Hz  300 GHz) na stanowiskach pra- nego i magnetycznego S = E " H i odzwier-
Aby określić możliwość stosowania
cy. Dużą nowością było ustanowienie ciedla sumaryczną energię fali elektroma-
zależności (1) do celów pomiarów i oce-
wartości NDN w postaci natężenia pola gnetycznej. Jednakże parametr ten nie daje
ny narażenia pracowników na promienio-
elektrycznego (E[V/m]) oraz magnetycz- informacji o procentowym udziale ener-
wanie mikrofalowe zasadnym jest okre-
nego (H[A/m]) w całym pasmie często- getycznym poszczególnych składowych
ślenie granicy strefy dalekiej. Granicę stre-
tliwości, podczas gdy w poprzednich re- tego promieniowania. Oczywistą korzy-
fy dalekiej wyznacza się z zależności:
gulacjach prawnych dotyczących naraże- ścią jest jednak dwukrotne zmniejszenie
nia pracowników na promieniowanie za- liczby realizowanych pomiarów, co ma
(3)
kresu mikrofalowego, do oceny tego na- szczególne znaczenie w przypadku po-
rażenia stosowana była gęstość mocy miarów np. na posterunkach radiolokacyj- gdzie:
(S[W/m2]). W podobnej regulacji prawnej nych czy w warsztatach remontowych, D  największy poprzeczny rozmiar
dotyczącej ochrony środowiska przed pro- gdzie występuje duża złożoność metro-
anteny:
mieniowaniem mikrofalowym, obowią- logiczna [2].
A, B  poprzeczne wymiary anteny
zuje w dalszym ciągu gęstość mocy jako W dostatecznie dużej odległości od
 długość fali.
wartość NDN. Również światowe regu- anteny, tj. w strefie dalekiej każda z wiel-
Zgodnie z zależnością (3) w przypad-
lacje prawne dotyczące zarówno pracow- kości, tj. E lub H albo S jest tożsama
ku anten telefonii komórkowej strefa da-
ników jak i ludzi niezatrudnionych (śro- w kontekście metrologii i oceny naraże-
leka występuje na odległościach powy-
dowisko), do oceny narażenia na promie- nia na promieniowanie mikrofalowe.
żej 10 m od anteny, natomiast w przypad-
niowanie mikrofalowe wykorzystują gę- Wielkości te są związane powszechnie
ku anten radiolokacyjnych strefa daleka
stość mocy. Rodzi się zatem pytanie, czy
znaną zależnością [3, 4]:
rozciąga się na odległościach powyżej
natężenia pól E i H są tożsame z gęsto-
1 km od anteny. A
atwo zauważyć, że po-
ścią mocy w kontekście metrologii i oce-
(1)
miary natężeń pól mikrofalowych do ce-
ny narażenia ludzi na promieniowanie
lów bhp (na stanowiskach pracy) są reali-
mikrofalowe. Czy wprowadzenie takich Zależność powyższa wynika z faktu,
zowane w obszarze pola bliskiego, tj. na
zmian do prawnej ochrony pracowników
że w strefie dalekiej stosunek natężenia
odległościach znacznie bliższych aniżeli
narażonych na promieniowanie mikrofa- pola elektrycznego E do natężenia pola
granica strefy dalekiej. Z tego powodu
lowe było uzasadnione?
magnetycznego H jest ściśle określony
pomiary zarówno E jak i H na stanowi-
Przyjmuje się, że skutki oddziaływa- i nie ulega zmianie wraz ze zmianą odle-
skach pracy są w pełni uzasadnione.
nia promieniowania mikrofalowego na
głości od anteny, podobnie jak to ma miej-
Jednakże w kontekście zapisów oma-
ludzi indukowane są w wyniku absorpcji
sce w przypadku fali płaskiej:
wianego rozporządzenia [5] i PN [6] wy-
energii tego promieniowania przez strat-
łaniają się następujące problemy:
ny organizm. W tym kontekście do oce- (2)
" Czy można w polu bliskim stosować
ny narażenia uzasadnione jest przyjmo-
gdzie: mierniki gęstości mocy bazujące na po-
wanie natężenia pola elektrycznego i ma-
 składowe poprzeczne do kie- miarze składowej elektrycznej i realizu-
gnetycznego (E i H) jako wielkości pro-
jące przeliczanie zmierzonych wartości E
porcjonalnych do energii niesionej elek- runku propagacji fali
na gęstość mocy zgodnie z zależnością
tryczną i magnetyczną składową tego pro- Zf = impedancja falowa.
Impedancja falowa dla próżni przyj- (1)? Rodzi się również pytanie o skalę
mieniowania. Żadnej z tych wielkości nie
błędów popełnianych w wyniku stosowa-
można zaniedbać, gdyż skutki oddziały- muje wartość rzeczywistą i wynosi Zf =
nia tych mierników w polu bliskim.
377 .
wania na organizm ludzki poszczególnych
Jednakże w pobliżu anteny, tj. w polu
składowych są odmienne. Dużą korzyścią " Czy można w polu bliskim dokony-
wać przeliczeń wartości natężeń pól na
bliskim, stosunek wektorów E do H może
wynikającą z przyjęcia wartości E i H
12
BEZPiECZE STWO PRACY 2/2002
wartości gęstości mocy, stosując zależ- istotnie wpływa na błąd pomiarów taki- związane nie tylko z ośrodkiem, lecz tak-
ność (1)? mi miernikami. W przypadku tych mier- że ze swoim z
ródłem.
Poniżej przedstawiono omówienie ników anteną odbiorczą jest tuba, której W normach polskich [6] wprowadzo-
tego problemu oraz obliczenia odnoszą- wejście dopasowane jest do impedancji no pojęcie impedancji pola elektroma-
ce się do charakterystycznych przypad- 377 . Każda zmiana impedancji w punk- gnetycznego zdefiniowane jako: Impe-
ków anten mikrofalowych. cie pomiarowym powoduje, że zmienia dancja pola jest wielkością uzyskaną z po-
się współczynnik odbicia na wejściu tuby dzielenia zmierzonej wartości natężenia
miernika, w wyniku czego do termistora pola elektrycznego przez zmierzoną war-
Podstawowe typy detekcji
dociera zmieniona wartość energii pola tość pola magnetycznego, w danym punk-
pól mikrofalowych
elektromagnetycznego, a cały pomiar cie pomiarowym. Zgodnie z taką defini-
obarczony jest błędem. cją jest to stosunek wartości skutecznej
W kontekście rozważanych zagadnień
modułu wypadkowego pola elektryczne-
metrologicznych ważnym problemem jest
go do wartości skutecznej modułu wypad-
w jaki sposób miernik mikrofalowy reali- Pole bliskie anteny
kowego pola magnetycznego. Z przyto-
zuje pomiary mierzonej wielkości, tj. w ja-
W odległościach od anteny mniejszych czonej definicji wynika, że do obliczeń
ki sposób dokonuje detekcji natężenia
aniżeli 2D2/ (R < RD) charakter pola elek- przyjmujemy wszystkie składowe wekto-
pola.
tromagnetycznego i własności jego pro- rów E i H, a dokładniej długość (moduł)
Sondy mierników natężenia pola elek-
pagacji są inne niż w polu strefy dalekiej. wypadkowych wektorów E i H w danym
trycznego (E) lub magnetycznego (H) są
Z punktu widzenia zależności impedan- punkcie przestrzeni. Należy również pa-
wyposażone w detektory typu  dipol-dio-
cyjnych niezwykle istotny jest fakt, że miętać, że parametr ten wprowadzono
da (do pomiarów składowej E) lub de-
pole elektromagnetyczne w obszarze pola niejako i wyłącznie dla potrzeb metrolo-
tektory typu  antena ramowa-dioda
bliskiego jest ściśle związane ze swoim gicznych. W tym aspekcie autorzy mieli
(do pomiarów H) i realizują bezpośred-
z
ródłem, a energia fali oscyluje między prawo zdefiniować taką wielkość jako
nio pomiary mierzonych wielkości nieza-
z
ródłem i przestrzenią. Fakt ten powodu- parametr pomocniczy przeznaczony do
leżnie od odległości od anteny nadawczej.
je, że oprócz składowych poprzecznych dodatkowych obliczeń zmierzonych wiel-
W przypadku mierników przeznaczo-
(E , H ), prostopadłych do kierunku pro- kości polowych. Pomiar wszystkich skła-
nych do pomiarów gęstości mocy, sondy
pagacji pojawiają się składowe wzdłuż- dowych pól E i H (lub ich wartości wy-
mierników posiadają różną konstrukcję
ne, równoległe do kierunku propagacji padkowych) jest najbardziej poprawnym
i różne formy detekcji pola elektromagne-
fali. pomiarem w polu bliskim i powinien być
tycznego. Najbardziej rozpowszechniona
W przypadku takich popularnych an- realizowany miernikiem wyposażonym
forma pomiarów bazuje na detekcji pola
ten mikrofalowych, jak anteny stacji ba- w bezkierunkową sondę pomiarową.
w sondzie wyposażonej w detektor typu
zowych telefonii komórkowej czy ante- Wprowadzona definicja impedancji pola
 dipol-dioda (np. sondy miernika typu
ny radarów, jest to składowa pola elek- elektromagnetycznego jest zatem stosun-
MEH). W tym przypadku miernik doko-
trycznego ER, równoległa do kierunku kiem zmierzonych wypadkowych warto-
nuje pomiarów natężenia pola elektrycz-
propagacji fali. W tym przypadku mamy ści E do H.
nego, a wartość gęstości mocy obliczana
do czynienia z falą niejednorodną nazy-
jest w elektronice miernika na podstawie
waną falą typu TM (transwersalną magne- (4)
zależności (1). A
atwo zauważyć, że mier-
tycznie). Istnienie dodatkowych składo-
nik ten można bezkrytycznie stosować
gdzie:
wych wzdłużnych uniemożliwia określe-
jedynie w strefie dalekiej. W polu bliskim,
nie impedancji falowej ośrodka, zgodnie
gdy impedancja pola przyjmuje wartości
z definicją tej impedancji bazującą na sto-
różne od 377 , wartość gęstości mocy
Wartość ZEM przyjmuje wartości rze-
wyświetlana przez miernik jest obarczo- sunku składowych poprzecznych (2),
gdyż nie ma możliwości uwzględnienia czywiste, przy czym dla pól typu TM (an-
na błędem wynikającym ze zmienionej
składowych wzdłużnych, które w polu teny GSM, radary) wartości ZEM w pobli-
wartości impedancji pola.
żu samej anteny mogą przyjmować duże
bliskim często osiągają wartości większe
Z kolei inne popularne na krajowym
aniżeli składowe poprzeczne. Zatem okre- wartości ZEM 377 . Pola te nazywane
rynku mierniki gęstości mocy typu PO-
ślanie impedancji falowej ośrodka w po- są polami wielkiej impedancji. W strefie
1-Medik lub P3-9 posiadają sondy wy-
dalekiej, z oczywistych powodów, impe-
posażone w detektory termistorowe. Ter- bliżu anteny, zgodnie z zależnością (2),
może być pozbawione sensu. Fakt ten dancja pola (4) jest tożsama z impedan-
mistory umieszczone są w odcinkach pro-
można zinterpretować następująco: impe- cją falową ośrodka (2).
wadnic falowych, np. w falowodzie pro-
stokątnym lub linii współosiowej i zmia- dancja falowa ośrodka (2) określa wyłącz- Przedstawiony charakter pola bliskie-
nie zależność  fala elektromagnetyczna  go sprawia, że gęstość mocy (wektor
na wartości impedancji pola w punkcie
ośrodek , co ma miejsce w strefie dale- Poyntinga) posiada również dodatkowe
pomiarowym nie wpływa bezpośrednio
na warunki pracy samego termistora. Jed- kiej, podczas gdy w polu bliskim składo- składowe. Przykładowo w polu bliskim
we pola elektromagnetycznego są ściśle anten stacji bazowych GSM lub anten ra-
nakże zmiana wartości impedancji pola
13
BEZPiECZE STWO PRACY 2/2002
darów charakteryzujących się najczęściej
Impedancja pola
polaryzacją liniową (pole typu TM), wek-
elektromagnetycznego
tor Poyntinga posiada składową wzdłuż-
w polu bliskim
ną SR oraz składową poprzeczną S .
(5) Obliczenia wartości impedancji pola
elektromagnetycznego (ZEM) przeprowa-
dzono w sferycznym układzie współrzęd-
nych za pomocą potencjałów wektoro-
wych w odniesieniu do anteny przedsta-
wionej w postaci apertury prostokątnej
(rys. 1).
Analityczne wyrażenia na składowe
pola bliskiego apertury prostokątnej
przedstawiono w pracy Modelowanie roz-
kładu promieniowania mikrofalowego
Rys. 1. Antena w postaci apertury prostokątnej
w polu bliskim anten oraz pewne konse-
Rys. 4. Wartości błędów Z w funkcji odległości
kwencje biomedyczne [1].
dla anteny GSM typu K-730370 na kierunkach ze-
Obliczenia impedancji pola elektroma-
rowych: = 120� oraz = 138�
gnetycznego (ZEM) przedstawiono w od-
niesieniu do wartości impedancji falowej
Pomiary miernikiem gęstości mocy
ośrodka (Zf = 377 ), zgodnie z zależno-
z sondą bezkierunkową prowadzą do war-
ścią:
tości wypadkowej (S):
(8)
(6)
W rzeczywistości wyrażenie Z (8)
Posługując się wartościami wypadko-
jest błędem względnym i określa, ile pro-
Rys. 2. Charakterystyka promieniowania anteny
wymi (modułami wektorów) drogą pro-
Kathrein (K-730370) w płaszczyz
nie przekroju pio-
cent impedancja pola elektromagnetycz-
stych przekształceń otrzymuje się nastę-
nowego
nego (ZEM) różni się od impedancji falo-
pującą zależność łączącą wektor Poyntin-
wej ośrodka (Zf = 377 ) w danym punk-
ga (gęstość mocy) z wypadkową warto-
cie obliczeniowym. Wartość Z (8) jest
ścią natężenia pola elektrycznego:
zatem systematycznym błędem metody
pomiarów gęstości mocy za pomocą mier-
ników bazujących na detekcji składowej
(7)
elektrycznej.
Przykładowe obliczenia wartości Z
Z przedstawionych uwarunkowań
przeprowadzono w odniesieniu do ante-
wynika, że w polu bliskim gęstość mocy
ny stacji bazowej GSM firmy Kathrein
(S) może być wyrażona przez wypadko-
(K-730370), o wymiarach A " B = 0,255 "
wą wartość natężenia pola elektrycznego
1,29 m, przy częstotliwości 947 MHz.
(E), przy czym współczynnikiem propor-
Strefa daleka dla tej anteny wynosi 2D2/
cjonalności jest wartość impedancji pola
= 10,5 m od anteny. Charakterystyka pro-
elektromagnetycznego (ZEM), (4).
mieniowania anteny w płaszczyz
nie prze-
Jednakże, aby realizować przekształ-
kroju pionowego została przedstawiona
cenia określone zależnością (4), należy
na rys. 2.
znać wartość impedancji pola elektroma-
Analizę wartości Z przedstawiono
gnetycznego, a tymczasem w polu bliskim
oddzielnie dla kierunków wiązki głównej
wartość ZEM nie jest znana. Parametr ten
i listków bocznych oraz oddzielnie dla
zależy od wielu czynników, w tym odle-
kierunków pomiędzy listkami bocznymi.
głości od anteny.
Kierunki pomiędzy listkami nazywane są
Jest zatem zasadne określenie warto-
Rys. 3. Wartości błędów Z w funkcji odległości
kierunkami zerowymi, gdyż charaktery-
dla anteny GSM typu K-730370, a  na kierunku
ści ZEM w odniesieniu do typowych anten
osi promieniowania ( = 90�), b  na kierunku list-
styka promieniowania anteny przyjmuje
mikrofalowych spotykanych w praktyce
ka bocznego, skierowanego w stronę ziemi ( =
wartości zbliżone do zera. Wyniki obli-
pomiarowej.
150�)
14
BEZPiECZE STWO PRACY 2/2002
czeń przedstawiono na rys. 3 i 4. runki zerowe) błędy te mogą ulec zwięk-
Na rys. 3 i 4 przedstawiono wykresy szeniu.
błędów względnych impedancji pola elek- W tym przypadku pomocne mogą być
tromagnetycznego ZEM w porównaniu do indywidualne obliczenia lub pomiary im-
impedancji falowej Zf = 377 . Na tej pedancji pola wokół poszczególnych ty-
podstawie można sformułować następu- pów anten, co ułatwi metrologom ocenę
jące spostrzeżenia. popełnianych systematycznych błędów
metody.
" W strefie dalekiej, tj. dla R > RD od
anteny (dla anteny K-730370 RD = 10,5
3. W bezpośredniej bliskości anteny na
m) wartość Z 0%. Tym samym impe- odległościach R < D impedancja pola
dancja pola elektromagnetycznego ZEM
elektromagnetycznego znacznie różni się
przyjmuje wartość impedancji falowej Zf,
od wartości 377 . W tym obszarze mier-
tj. ZEM = Zf = 377 .
niki gęstości mocy nie powinny być sto-
sowane z powodu zbyt dużych błędów.
" W polu bliskim, na odległościach od
anteny bliższych od strefy dalekiej, ale
Stosowanie zależności (1) do przeliczeń
większych aniżeli poprzeczny rozmiar
pomiędzy wartościami E i S jest obarczo-
anteny (D), (na rys. 3 rozmiar D = 1 m),
ne zbyt dużym błędem.
tj. na odległościach D < R < RD wartość
Należy jednakże dodać, że w obszarze
Z 3%. Wynika z tego, że impedancja
tym nie powinno się prowadzić pomia-
pola elektromagnetycznego ZEM różni się
rów rozkładu promieniowania elektroma-
od impedancji falowej Zf nie więcej ani-
gnetycznego ze względu na inne dodat-
żeli 3%  rys. 3.
kowe z
ródła błędów [1, 4, 6]. W razie
Jednakże na pewnych kierunkach (kie-
konieczności pomiarów i oceny naraże-
runki zerowe) impedancja pola różni się
nia bezpośrednio przy z
ródłach, należy
więcej aniżeli 3% od impedancji falowej
przeprowadzić rozszerzoną analizę błę-
Zf (rys. 4).
dów.
" W bezpośredniej bliskości anteny, tj.
na odległościach mniejszych aniżeli D,
PIŚMIENNICTWO
wartości błędów Z sięgają kilkunastu,
[1] Kubacki R. Modelowanie rozkładu promie-
a nawet kilkudziesięciu procent, tym sa-
niowania mikrofalowego w polu bliskim anten
mym wartości ZEM osiągają wartości
oraz pewne konsekwencje biomedyczne. Wyd.
znacznie większe aniżeli Zf.
WAT, Warszawa 2000
[2] Kubacki R. Ocena narażenia na impulso-
* * * we promieniowanie mikrofalowe wytwarzane
Badania impedancji pola elektroma- przez radary. W: Oddziaływanie biologiczne,
ryzyko zdrowotne i ochrona przed polami elek-
gnetycznego w polu bliskim typowych
tromagnetycznymi, Materiały konferencyjne
anten mikrofalowych upoważniają do
Szkoły Jesiennej PTBR, Zakopane 2000
następujących wniosków.
[3] Szóstka J. Fale i anteny. Wyd. Komunika-
1. W polu bliskim anten wskazane jest
cji i A
ączności, Warszawa 2000
stosowanie mierników natężenia pola
[4] Trzaska H. Pomiary pól elektromagnetycz-
elektrycznego (E) oraz magnetycznego
nych w polu bliskim. Wydawnictwo Naukowe
(H) i ocena narażenia pracowników na
PWN, Warszawa 1998
pola mikrofalowe na podstawie tych pa-
[5] Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki
rametrów.
Społecznej z dnia 2 stycznia 2001 r. zmienia-
2. Stosowanie mierników gęstości
jące rozporządzenie w sprawie najwyższych
mocy oraz realizacja przeliczeń zgodnie dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników
szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.
z zależnością (1) jest dopuszczalne w od-
DzU nr 4, poz. 36
niesieniu do odległości od anteny więk-
[6] prPN-T-065890: Ochrona pracy w polach
szych aniżeli maksymalny poprzeczny
i promieniowaniu elektromagnetycznym w za-
wymiar anteny (R > D), jednakże należy
kresie częstotliwości od 0 Hz do 300 GHz; Ar-
pamiętać, że pomiary i przeliczenia obar-
kusz 01  Terminologia; Arkusz 03  Metody
czone są 3-procentowym błędem. W od-
pomiaru i oceny pola na stanowisku pracy,
niesieniu do niektórych kierunków (kie- 2001
15